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2005年1月12日 作者:ctnyzn [返回]
以作物最适成长为控制目的之电脑环控技术

    在Flower Tech 刊物第7卷4期有一篇文章介绍荷兰温室环控最新技术。说明为何以植物量测本身所得讯息传送至环控电脑用以进行环控作业。荷兰温室工程师将温室环控自过去的应用技术至今后的未来发展,共区分成为四个阶段。 

1.第一阶段:栽培者现地观察作物生长状态,以人力进行环控设备的开启或关闭。 

2.第二阶段:以环控设备的设定值﹙例如28℃, 70%RH, 6000lux, 700ppm CO2﹚,与目前温室内部环境实际测定值互相比较,依两者差异值再调整天窗、加温机、遮荫网等环控设备。 

3.第三阶段:依据作物的单一生理作用,进行自动控制。 

4.未来阶段:依据植物整体生长模式,进行自动控制。 

荷兰的温室环控自第一阶段开始。温室内首先装设的环控设备为天窗与加温水管。温室经营者在温室内部巡视并观察作物生长状态,依个人经验判断再以人力开闭天窗或热水管阀门。在经营规模扩大后,自人力改变为电力。开始装设马达以进行天窗开闭动作,使用电磁阀以控制热水管阀门。在温室内部装置温度感测器,结合工业用控制器进行控制作业。温室环控因此自第一阶段步入第二阶段。 

在观察作物生长状态后,荷兰温室界对于栽培环境与作物生长的关系有如下的心得: 

1.光线十分重要,但是调节光量的成本十分昂贵。 

2.温度可以以热源或冷源加以调节。 

3.二氧化碳浓度自350 ppm 增加至1,000 ppm ,可使作物产量增加30%。由于二氧化碳可以由加热能源燃烧过程的副产品加以利用,因此为了达到补充二氧化碳的要求,保持二氧化碳于温室内部,荷兰温室开始建立密闭式﹙closed greenhouse﹚温室的概念,温室愈气密愈好。 

4.相对湿度直接影响了植物的蒸散作用。而且植物对湿度十分敏感,湿度太低,容易引起植物萎凋;湿度太高,容易促进病菌成长。 

配合对于植物生理作用的了解,荷兰人由第二阶段的环控技术进入第三阶段温室作物生理环控。第三阶段的重点在于“以作物的生理过程为控制目的,而不是以温室内部微气候调节为目的”。因此在环境控制作业中,要以作物的生理作用为主,将作物本身讯息送入环控电脑内进行控制。只有以作物生理调节为目标才是真正的环控作业目标。 

在此阶段必须解决如下的问题:如何连结作物生理与量测讯号﹖作物生理讯息有那些可以直接量测﹖叶面温度与植株重量量测就是可以直接量测的实例。然而有些生理讯号不容易直接量测,因此真正的解答在于“数学模式”的应用。 

在过去的二十年,电脑硬件与数据分析软件已有足够的进展。将植物的生理作用转换成数学模式,以数学方程式加以描述环境与作物生长的关系,并以此计算评估作物最佳的生长条件。在目前的学术研究中,已建立完成许多粮食作物生长模式,也可以适用许多园艺植物。各类生理作用都有适当数学公式加以描述,再以环控策略相互配合。例如糖份的分配作用模式,描述光合作用合成的糖分如何分配至根、茎、叶或果实,因此可以依此模式控制温室光量与温度。蒸散作用模式描述作物需水状态,因此可用以为控制温室内温度与相对湿度的依据。此种以单一模式结合环控策略为目前荷兰所推广的温室环控技术。 

这些模式在实际应用上面对的问题在于模式的预测准确性仍然不足。对于研究人员而言,根部干物重的实际量测值与模式预测值有5%误差或许不算严重,但是对企业经营而言,5%的毛利收入或许决定了此企业生产是损失或赚钱。学术界所研究发展的数学模式,可以协助研究人员对于植物生理更加了解,但是对实际的商业生產,其利用能力仍然需要进一步改进。 

目前的作物模式以各种单一生理作用为主。例如光合作用、呼吸作用、蒸散作用、发育分化与乾物质再分配等。依选择的单一生理作用模式配合微气候与作物生理感测进行环控作业。未来的环控策略则注重完整植物生产模式的应用。作物模式研究的终极目标是结合各单一生理作用成为完整的作物模式。关于作物模式与温室环控的结合应用可举例说明如下:光合作用的过程是一种化学反应,将二氧化碳与水分结合产生氧气与糖份。糖份供应作物成长的本体结构与需要能源。此过程的环境主要影响因子为光量与温度。糖份再分配至各器官,而温度也影响了此分配路径与效率。各器官中新的叶、花、果实的发育又受到温度影响。 

以百合生产为例,利用温度与光量调节可以控制作物生理作用,包括营养生长与生殖生长。换言之,即是可用以控制花期以适合预定的节庆需要日期。蒸散作用也是百合作物生理的重要作用。藉由蒸散作用可冷却植物本体温度,协助养分吸收。蒸散作用在受阻5分钟后,就可能造成作物遭遇水分应力。 

上述两种作物生理作用,蒸散作用可以藉由作物本体重量变化加以量测,温室内作物光合作用量测十分困难。因此光合作用必须藉助其他量测因子配合生理模式加以计算。所有的单一模式可以再结合成为完整的作物生产模式。 

在达到以整体作物生理模式进行环境控制阶段之后,温室经营者可以进一步再结合作物成本模式,用以评估以那一种环境控制条件下可以得到最佳收益。如果以昂贵的温室与环控设备,配合复杂的电脑环控技术,其品质与成本仍然无法与来自国外在简易设施下适时适地栽培的进口产品相竞争。此种先进生产技术的产品仍是在全球化国际市场下无竞争优势。这是从事温室生产必须牢记的基本原则:技术要不断的进步,但是品质与成本要有竞争力。

       后记:在Flower Tech 刊物的文章中,介绍荷兰温室环控技术的趋势,其中最重要的概念系将作物生理反应做为环境控制主要对象。作物生理反应讯号有些是可以直接量测,例如利用重量变化量测以得到蒸散量。有些是经由模式计算,例如由量测的光量、空气温度、相对湿度、风速与叶温等因子计算光合作用率。以计算所得各项生理作用再结合成为作物生长模式。此种模式可用来计算与评估干物质的分配,再进而得到最后产品﹙花、果实或叶片等﹚的生理状态。以商业生产的观念即是可决定何时可以采收,采收的品质与数量又是如何?藉由此作物模式配合市场需求以规划生产计划。 

此种环控技术结合了作物模式与生理感测。近年来由于电脑成本降低,运算能力增强,因此已自实验室的研究成为实用技术。而此种新进技术的基本资料是作物生理感测技术与作物生长模式的建立。从事此种研究者需要结合作物生理学、感测技术、微分方程、数值分析与迴归分析等学门。荷兰农业研究人员在大学基础教育阶段早已接受数理基础学科的训练,因此在荷兰要建立与推广此种以作物生理为主的环控技术并不困难。由此反思国内农业转型的问题,在高喊”科技农业”的口号时,此种跨越传统科系的人才在那里? 
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